近日,中国科学院国家天文台研究员巩岩、陈学雷以及清华大学教授冯骅首次提出可利用3.5
keV发射线光子的极化方向来检验其轴子转化起源的假说。此研究结果将有助于解开3.5
keV发射线的起源问题,同时可以帮助确认轴子的存在。该成果已经发表在2月份的《物理评论快报》(Physical
Review Letters
)上。

图片 1

NASA费米望远镜扩大对暗物质的搜索

最近的X射线观测表明,在一些星系团、漩涡星系甚至银河系中心,可能存在一条能量为3.5
keV左右的微弱发射线。此发射线有可能是还未确认的某种原子发射线,但科学家们认为其很可能是由暗物质衰变产生的。进一步的观测和理论研究表明,暗物质直接衰变成3.5
keV光子并不能很好地解释此发射线的起源。一种更加符合观测结果的理论认为,此发射线是由暗物质粒子衰变为轴子,而后轴子再与星系或星系团中的磁场相互作用,从而最终转化为3.5
keV光子。如果此转化机制能够被确认,将为轴子这一假想粒子的存在提供强有力的支持,并对粒子物理学以及暗物质的研究都具有重要的意义。

对伽马射线的观测并未发现由所谓“类轴子粒子”变成的光子。

图片 2

巩岩及其合作者研究了3.5
keV轴子转化假说的特点,发现轴子与磁场相互作用产生的光子应具有特定的极化方向,且此方向应与光子产生处的磁场方向平行,从而提供了一种对该理论的有效检验方法。

据瑞典斯德哥尔摩大学官网消息,该校科学家对美国国家航空航天局的费米太空望远镜提供的大量观测记录进行分析后发现,一种假设的暗物质粒子——“类轴子粒子”或许并非暗物质的备选粒子;或许这种粒子根本就不存在。最新研究朝着揭开暗物质的秘密更近了一步。研究发表在最新一期的《物理评论快报》杂志上。

虽然我们还不知道暗物质是什么,但我们的研究结果表明我们可以详细研究轴子类粒子模型,最大限度缩小可能的质量范围

巩岩等人发现,对于星系团来说,由于其磁场分布不规则,很难确认其总的光子极化方向,因此不能通过其总极化方向和磁场来判断。但由于星系团体积巨大,可通过观测其某些部分发出的3.5
keV光子的极化方向,并与这些部分的磁场方向进行比较,来确认两者是否一致。对于漩涡星系,巩岩等人根据以往相关观测结果,建立了漩涡星系的磁场分布模型,并以此模型为基础,计算了总的3.5
keV光子极化度和极化方向与漩涡星系观测倾角的关系,从而可以凭借此关系来验证轴子转化假说。更广泛的,特别是对于不能确认倾角的漩涡星系,研究者也提出了检验方式。即由于漩涡星系盘面磁场往往强于星系晕中X形状磁场,所以对于大多数漩涡星系,如果发现总的3.5
keV光子极化方向平行于星系投影的长轴方向,也可以作为一种判断此假说正确的依据。

中科院高能物理研究所郭万磊副研究员向科技日报记者解释称,20世纪30年代初,美国加州理工学院的天体物理学家弗里茨·兹威基首先发现,星系团中的可见物质远远不足以解释星系围绕星系团中心旋转的速度,科学家因此认为还有看不见的“暗物质”,尽管暗物质由万有引力定律多方观测证实存在,但其构成一直是个谜。

腾讯太空讯
据国外媒体报道,暗物质是一种组成宇宙中绝大部分物质的神秘物质,一直令人难以琢磨。尽管在地面与太空中进行的试验都尚未发现暗物质的踪迹,但研究结果帮助科学家们排除了一些理论可能性。今年初发布的三份研究报告,使用了六年多来费米伽马射线太空望远镜所收集的数据,利用新型方法扩大了对暗物质的追踪。费米项目科学家Julie
McEnery表示,一直以来,我们都是使用普通的方法在普通的地方寻找,如今我们打算开始利用一些创新的方法。

图片 3

科学家们认为,一种可能性是暗物质或由“类轴子粒子”组成,ALPs由某种特定的量子相互作用而产生,尽管其质量不足电子的十亿分之一,但宇宙间可能充满了这种粒子。不过,科学家们无法直接观测到ALPs,但当它经过磁场时,有非常小的机会变成光子,因此,我们或许无法直接看见暗物质粒子,但能在某些情况下看到由ALPs变成的光子。

暗物质既不会发射也不会吸收光线,主要是通过引力作用与宇宙的剩余部分相互作用,但却占据了宇宙中所有物质的80%。天文学家能通过星系的自转、光线通过星系团时发生的扭曲以及对早期宇宙的模拟发现暗物质所产生的作用。最有可能的是一系列不同种类的假想暗物质粒子。先前,费米探测到在银河系中央与其他围绕银河系运转的矮星系中与暗物质有明显关联的伽玛射线信号。

图1:轴子与漩涡星系磁场相互作用转化为3.5keV光子。图片来源:麻钰薇
中国国家天文杂志

据美国趣味科学网站报道,为了测试上述想法,物理学家对从英仙座星系团内名为NGC
1275的明亮伽马射线源发出的伽马射线进行了观测。在地球与该星系之间,存在很多磁场,它们是光子或暗物质粒子的必经之地。因此,如果ALPs的确存在,那么,当它们与伽马光子之间相互转换时将被“逮个正着”。但遗憾的是,近6年来,费米太空望远镜并没有观测到相应的粒子“变形”。因此,要么是这些ALPs不按常理“出牌”;要么它们并不存在。

尽管没有确切的发现,但研究结果依然排除了一定范围内的质量与相互作用比率的可能性,进一步缩小了暗物质粒子可能具有某些特性的可能性。在这些新研究中,最特别的是探索暗物质由轴子或其他具有相似特性的颗粒组成的可能性。轴子类的颗粒能够转化为伽玛射线,而当它们与强磁场相互作用时,又会转回原先的样子,在这些转化过程会留下一些特性踪迹。斯德哥尔摩大学的Manuel
Meyer带领团队研究NGC
1275星系中的伽玛射线,它位于英仙座星系团中央,距离地球大约2.4亿光年。

图片 4

郭万磊说:“最新研究意义重大:在理论方面,该结果对相关理论模型的构建有很强的约束;在实验方面,该结果能指导未来相关实验的设计和建造。”

NGC
1275发射的高能量射线被认为与其中央的超大质量黑洞有关系。像其他星系团一样,英仙座星系团充满了与磁场交织的炽热气体,有利于伽玛射线和轴子类颗粒的相互转化。Meyer的团队收集了费米广域空间望远镜的数据,搜寻扭曲的伽玛射线信号。研究结果排除了可能包含了4%暗物质的轴子类颗粒。Meyer表示,虽然我们还不知道暗物质是什么,但我们的研究结果表明我们可以详细研究轴子类粒子模型,最大限度缩小可能的质量范围。另一种可能是暗物质的颗粒名为弱相互作用大质量粒子,在某些情况下,相互碰撞的WIMPs粒子既不会相互摧毁,也不会产生快速衰减的中介颗粒。

图2:3.5
keV光子总极化度与漩涡星系观测倾角的关系。极化度正值和负值分别代表极化方向平行和垂直于星系投影长轴方向。

这两种情况均使得伽玛射线能够被LAT探测到。加州大学的Regina
Caputo在小麦哲伦云中搜寻这些信号。小麦哲伦云距离地球大约20万光年,是围绕银河系运转的第二大卫星星系。在SMC中搜寻暗物质的有利因素在于它距离我们相对比较近,而且它的伽玛射线都是由恒星诞生和脉冲星这类传统因素产生的,科学家们对此比较了解。

更重要的是,天文学家们能精确测算出SMC的自转曲线,这能体现出它的自转速度是如何随着其中心距离而变换的,从而能表现出存在着多少暗物质。由克莱姆森大学的Marco
Ajello及SLAC国家加速器实验室的Mattia Di
Mauro所带领的第三项研究则是从不同的角度进行研究。他们并不是对特定的某个目标进行研究,而是研究了超过6年半的LAT数据,分析整个天空中的伽玛射线背景。

特别声明:本文转载仅仅是出于传播信息的需要,并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性;如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用,须保留本网站注明的“来源”,并自负版权等法律责任;作者如果不希望被转载或者联系转载稿费等事宜,请与我们接洽。

相关文章